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Ottimizzazione della configurazione e scelta del fluido operativo di un impianto ORC alimentato con biomasse

La crescente domanda mondiale di energia sta, da un lato, accelerando il processo di esaurimento dei combustibili fossili ma, dall’altro, forzando lo sviluppo di nuove fonti energetiche a basso impatto ambientale. Le fonti energetiche rinnovabili, quali biomassa, solare ed eolico, sono considerate le alternative più promettenti perché in grado di mitigare l’inquinamento, migliorare la sicurezza energetica e ridurre il consumo di combustibili fossili.

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La Termotecnica, aprile 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 46 LA TERMOTECNICA APRILE 2017 Energia & Impianti INTRODUZIONE
La crescente domanda mondiale di energia sta, da un lato, ac-
celerando il processo di esaurimento dei combustibili fossili ma,
dall'altro, forzando lo sviluppo di nuove fonti energetiche a basso
impatto ambientale.
Le fonti energetiche rinnovabili, quali biomassa, solare ed eolico,
sono considerate le alternative pi promettenti perch in grado
di mitigare l'inquinamento, migliorare la sicurezza energetica e
ridurre il consumo di combustibili fossili.
In questo scenario, le biomasse ricoprono un ruolo di rilievo in
quanto sono un importante sostituto dei combustibili fossili con il
vantaggio per di essere sostenibili, eco-compatibili e adattabili a
diversi utilizzi.
La biomassa il risultato di processi biologici naturali, la quarta
fonte energetica nel mondo ed in grado di soddisfare quasi il 14%
della domanda [1].
Nel corso dei decenni, diversi studi sono stati condotti per valutarne il
potenziale, capire come le politiche governative possono sostenerne
lo sviluppo ed individuare come e dove impiegarla per la genera-
zione di energia elettrica e/o calore.
In primis, questi lavori hanno evidenziato che la biomassa parti-
colarmente adatta alla produzione combinata di energia elettrica
e calore in sistemi cogenerativi di taglia medio-piccola per due
ragioni: (i) l'utilizzo della biomassa in loco consente di ridurre i
costi di trasporto del combustibile, (ii) risulta complesso trovare un
utente finale che richieda grandi quantit di calore prodotto in un
impianto cogenerativo di grande taglia.
In secondo luogo, emerso che le tecnologie pi diffuse per la con-
versione della biomassa in energia elettrica e/o calore sono due: (i)
unit di gassificazione abbinata ad un motore a combustione interna
e (ii) caldaia a biomassa accoppiata con un ciclo a fluido organico anche detto Organic Rankine Cycle (ORC). Tuttavia, vi sono opinioni
discordanti circa la maturit del processo di gassificazione, mentre
risulta assodato che la combustione di biomassa in caldaia abbinata
con motore a fluido organico sia una tecnologia ben testata che non
richiede elevati costi di investimento e di manutenzione. Ad esempio,
in [2] si stima che un impianto basato sulla tecnologia ORC presenti
un costo di investimento e manutenzione, rispettivamente, 75% e
200% inferiore rispetto ad un sistema di gassificazione mentre in
[3] si afferma che gli ORC sono l'unica tecnologia collaudata per
applicazioni che producono potenza fino a 1 MW el da combustibili solidi come la biomassa. Inoltre, si sottolinea il fatto che questa
tecnologia risulta ancora pi conveniente se abbinata ad una rete
di teleriscaldamento. Da questo punto di vista, l'Italia un paese
all'avanguardia grazie alle sue 192 reti di teleriscaldamento (di cui
88 alimentate da impianti a fonte rinnovabile) che forniscono calore
a circa 150 citt. L'84% delle reti sono installate in regioni del nord
Italia (Lombardia, Piemonte, Toscana e Trentino Alto Adige) mentre
la prima rete sviluppata e quella pi estesa si trovano rispettivamente
a Modena (1971) ed a Torino (467 km). Nel solo Alto Adige vi sono
pi di 70 impianti alimentati a biomassa che generano energia
elettrica mediante un ORC e forniscono energia elettrica e calore a
reti di teleriscaldamento residenziali [4].
I motori a fluido organico esistono sin dal 1880 ma sono divenuti
oggetto di intensi studi soltanto negli ultimi decenni grazie al cre-
scente interesse verso i sistemi in grado di recuperare calore da
fonti a media e bassa temperatura; condizioni operative in cui i cicli
operanti con acqua non riescono ad essere competitivi per motivi
tecnici ed economici [5].
Un ORC funziona come un ciclo Rankine convenzionale a vapor
d'acqua (SRC) ma utilizza un fluido organico al posto di quest'ul-
tima. di A. Benato, A. Stoppato, A. Mirandola Ottimizzazione della configurazione e scelta del fluido
operativo di un impianto ORC alimentato con biomasse
Il presente lavoro ha l'obiettivo di individuare il fluido e la configurazione di impianto ORC in grado di operare sia in sola produzione elettrica che
in produzione combinata di elettricit e calore recuperando l'energia prodotta dalla combustione della biomassa. A tale scopo, si sviluppato un
codice di ottimizzazione in grado di selezionare il fluido e la configurazione di impianto pi appropriati tenendo conto delle curve prestazionali dei
componenti e delle propriet dei fluidi. PLANT OPTIMIZATION AND FLUID SELECTION OF AN ORC SYSTEM FUELLED BY BIOMASS AND GENERATING HEAT AND/OR POWER
The aim of the present work is to compare from an energetic, exergetic and economic point of view different plant configurations of Organic Rankine
Cycles matched with biomass-fired boilers for electricity production or combined heat and power generation. To this purpose, a computer tool able to
perform the fluid selection and plant layout optimization has been developed including devices efficiency charts and fluid thermodynamic properties
retrieved from two databases. Alberto Benato, Anna Stoppato, Alberto Mirandola
Universit degli Studi di Padova, Dipartimento di Ingegneria Industriale Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2017 47 Energia & Impianti I componenti dell'ORC sono simili a quelli del SRC ma, in questo
caso, il trasferimento di calore dalla sorgente calda al fluido motore
pu avvenire in due modi distinti: (i) il fluido caldo scambia diret-
tamente calore con il fluido organico oppure (ii) la sorgente calda
cede calore ad un fluido intermedio (generalmente olio diatermico)
che a sua volta riscalda il fluido organico [6]; soluzione quest'ultima
che consente di utilizzare anche fluidi organici infiammabili senza
incorrere in problematiche di sicurezza. Si noti che l'interposizione
di un circuito intermedio ad olio diatermico una soluzione adottata
nella quasi totalit degli impianti con caldaia a biomassa e motore
a fluido organico.
Il rendimento elettrico degli ORC varia tra il 6 ed il 17% [7]; valore
modesto se confrontato con quello ottenibile con SRC di grande
potenza ma accettabile dato che queste unit lavorano con sor-
genti a medio-bassa temperatura, richiedono poca manutenzione
e, di conseguenza, bassi costi di gestione [8]. Inoltre, l'impiego
di un fluido organico al posto dell'acqua garantisce un processo
di espansione che termina nella regione del vapore surriscaldato;
aspetto che evita processi erosivi della turbina e consente un rapido
avviamento dell'impianto.
Tuttavia, la scelta del fluido organico risulta assai complicata per
due ragioni: (i) vi sono centinaia di fluidi tra cui scegliere, (ii) la
natura del fluido organico condiziona sia lo schema di impianto sia
i parametri stessi del ciclo.
In letteratura, infatti, sono disponibili molti studi volti alla determi-
nazione del fluido ottimale da impiegare con una data sorgente
ad una predefinita temperatura della stessa (si veda, ad esempio,
[2,6]) ma, da questi, si evince che non esiste un fluido ottimale per
tutte le unit ORC. Quindi, questo aspetto costringe ad includere
nel processo di progettazione dell'ORC una procedura volta alla
selezione del fluido e della configurazione da adottare.
Nonostante l'elevato numero di studi disponibili in letteratura, nel
caso di caldaie a biomassa con unit ORC non vi sono lavori de-
dicati all'ottimizzazione dell'impianto sia per il funzionamento in
modalit cogenerativa che in sola produzione elettrica. Per questo
motivo, nel presente lavoro, gli autori hanno sviluppato un codice
di calcolo in grado di eseguire la selezione del fluido e l'ottimizza-
zione del layout dell'ORC sia nel caso di sola produzione elettrica
che in modalit cogenerativa. Il confronto poi tra le configurazioni
ottimizzate nelle due modalit di esercizio viene eseguito conside-
rando i risultati dell'analisi energica, exergetica ed economica al
fine di determinare il fluido ed il layout che consentono di operare
in entrambe le modalit.
A seguire, nella Sezione Metodologia, si presenteranno il caso di
studio selezionato ed il codice sviluppato, mentre i risultati del pro-
cesso di ottimizzazione e le conclusioni verranno descritti e discussi
rispettivamente nella Sezione Risultati del processo di ottimizzazio-
ne e Conclusioni. METODOLOGIA
Gli impianti cogenerativi a biomassa accoppiati con un ORC di
potenza elettrica compresa tra 400 e 1500 kW el sono una tecnologia matura e prodotta da diverse aziende del settore, mentre le unit
di potenza inferiore risultano ancora caratterizzate da bassissima efficienza elettrica ed elevati costi di investimento; fattori che ne
condizionano la piena commercializzazione.
Tuttavia, gli ORC disponibili sul mercato sono unit ottimizzate per
il funzionamento o in sola produzione elettrica o per la produzione
combina mentre il presente lavoro, svolto in collaborazione con
un produttore di caldaie a biomassa, si prefigge di sviluppare un
gruppo ORC accoppiato ad una caldaia a biomassa in grado di
operare sia in modalit cogenerativa che in sola produzione elettri-
ca senza introdurre modifiche allo schema di impianto o sostituire
il fluido organico.
Ad oggi, il partner industriale produce caldaie a biomassa ad olio
diatermico e a tubi di fumo e d'acqua con potenza compresa tra
300 kW th e 18 MWth. Con lo scopo di sviluppare e commercializzare unit ORC di taglia
medio-piccola (< 1 MWel), il produttore suggerisce di ottimizzare
il gruppo ORC da accoppiare ad una caldaia di potenza termica
pari a 3 MW. Ovviamente, al fine di evitare il contatto tra i prodotti
della combustione ed il fluido organico, viene interposto un circuito
ad olio diatermico. La caldaia costituita da una griglia mobile con
caricamento ed alimentazione della biomassa a spintore idraulico.
Nella Tabella 1 si riportano le principali caratteristiche della caldaia.
Il combustibile cippato con granulometria G30-G50 e un'umidit
compresa tra 15 e 20%. Di conseguenza l'impianto viene equipag-
giato con un'unit di essiccazione. Essendo le prestazioni dell'ORC influenzate dal funzionamento della
caldaia, in primis, si sviluppato e validato il modello della stessa.
Quindi, si sviluppato il codice di ottimizzazione dell'unit ORC
[9] e lo si interconnesso con quello della caldaia. Uno schema
semplificato di impianto presentato nella Figura 1.
Il modello matematico della caldaia ed il codice di ottimizzazione
dell'ORC vengono sviluppati in ambiente MATLAB poich in esso
integrato un tool di ottimizzazione basato sugli algoritmi genetici
affidabile e facilmente configurabile.
Il codice sviluppato, denominato 'ORC plant designer' (ORC-PD
tool), in grado di selezionare il fluido organico e la configurazione
di impianto pi appropriati a partire da qualsiasi sorgente termica
perch la configurazione ottimale viene selezionata fra 8 possibili
layout mentre il fluido organico pi appropriato viene scelto tra
115 fluidi puri presenti in due distinte librerie [10,11] in modo
da ampliare il numero di fluidi disponibili. Ovviamente, le librerie
vengono integrate nell' ORC-PD tool per rendere il processo com-
putazionalmente pi efficiente.
Mediante una interfaccia grafica, si seleziona la tipologia di otti-
mizzazione (singolo o multi obiettivo) e la/le funzioni obiettivo da
massimizzare/minimizzare (potenza elettrica netta (P el), rendimento Parametro Valore Potenza termica di progetto 3 MW Portata di olio diatemico 24 kg/s Temperatura dell'olio diatermico
all'uscita della caldaia (T olio,in) 310C TABELLA 1 - Caratteristiche della caldaia a biomassa Tecnica 48 LA TERMOTECNICA APRILE 2017 Energia & Impianti termico (' th) ed exergetico ('ex), indice di profittabilit (IP), valore attuale netto (NPV), tempo di ritorno (SP) e Levelized Cost of Energy (LCOE)).
Ovviamente, il codice necessita di alcuni parametri di input: fluido
caldo utilizzato (per il caso in esame olio diatermico), temperatura,
pressione e portata della sorgente calda all'ingresso dello scambiatore
principale (PHX) dell'ORC (per il caso in esame tali parametri vengo
calcolati utilizzando il modello della caldaia), rendimento meccanico
dell'espansore (assunto pari a 0.92), rendimento meccanico (assunto
pari a 0.95) ed isoentropico (assunto pari a 0.75) della pompa e
rendimento elettrico del motore (assunto pari a 0.90) e del generatore
(assunto pari a 0.94).
Per ciascun fluido, le variabili che vengono ottimizzate sono: la tem-
peratura di uscita dallo scambiatore principale dell'ORC (T olio,out), la pressione di evaporazione del fluido organico (p ev), la temperatura del fluido organico all'ingresso della turbina (TIT), l'efficienza del
recuperatore (E) e la minima differenza di temperatura tra i fluidi nel
condensatore, recuperatore e scambiatore principale dell'ORC ('T pp). Si noti che la posizione del pinch point anch'essa un risultato del
processo di ottimizzazione e non un dato imposto. Ovviamente, si
devono imporre anche dei limiti allo spazio di ricerca dell'ottimo; a
tal scopo, nella Tabella 3, si riassumono i limiti imposti per le variabili
da ottimizzare.
Il limite massimo e minimo per la temperatura all'ingresso della turbina
viene definito come riportato in [9] mentre la temperatura di condensa-
zione viene assunta pari a 40C nel caso di sola produzione elettrica e
uguale a 95C nel caso di produzione combinata. Si noti che, nel caso
di sola produzione elettrica, si assume che il condensatore sia raffred-
dato ad aria mediante torre di raffreddamento; i consumi energetici ed
i costi di investimento ed esercizio vengono anch'essi inclusi nell'analisi
energetica, exergetica ed economica.
L'efficienza isoentropica della turbina viene stimata utilizzando le
mappe di turbina assiale o radiale riportate in [12,13]. Per ogni fluido
e configurazione di impianto, durante il processo di ottimizzazione, il
codice calcola il 'size parameter' ed il 'volumetric flow rate', quindi
interpola le mappe e determina il rendimento isoentropico sia di una
configurazione assiale che di una radiale. Il rendimento maggiore viene
selezionato per proseguire l'ottimizzazione e definire la tipologia di
espansore.
Diversi controlli presenti nel codice consentono di evitare violazioni
del pinch point negli scambiatori di calore, identificare la presenza di
liquido all'ingresso della turbina, valori bassi di titolo allo scarico della
turbina e presenza di vapore nel recuperatore.
Le equazioni implementate nel codice ed il relativo processo di valida-
zione vengono discussi in [9,14] mentre, per il caso in esame, si assume
che la vita utile dell'impianto sia di 15 anni, che l'impianto abbia un
fattore di carico di 0.85, che l'energia elettrica e termica prodotta ven-
gano cedute a 0.31 $/kWh el e 0.29 $/kWhth, che il tasso di interesse sia del 6% e che la biomassa venga acquistata a 80 $/ton. FIGURA 1 - Schema della caldaia a biomassa e del motore a fluido organico Parametro Limite inferiore Limite superiore Temperatura di uscita del
fluido caldo (T olio,out) 250C 300C Pressione di evaporazione del
fluido organico (p ev) Pressione di
condensazione Pressione
critica Efficienza del recuperatore (E) 0 0.8 Differenza minima di
temperatura negli
scambiatori ('T pp) 10C 40C TABELLA 2 - Limite superiore e inferiore
fissati all'interno dell'ottimizzatore
Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2017 49 Energia & Impianti RISULTATI DEL PROCESSO DI OTTIMIZZAZIONE
Ciascuna configurazioni di impianto viene ottimizzata prima massi-
mizzando la potenza elettrica prodotta, poi l'indice di profittabilit
ed infine il rendimento exergetico.
Come visibile dal grafico di Figura 2, per l'impianto non cogenera-
tivo, l'utilizzo di Toluene consente di massimizzare la potenza elet-
trica, il rendimento exergetico e l'indice di profittabilit. Tale fluido
consente di incrementare la potenza elettrica prodotta dello 0.9%
rispetto all'E-benezene e dell'1.2% e 1.5% rispetto all'O-xylene e
l'M-xylene. Invece, l'incremento garantito in termini di rendimento
exergetico ed indice di profittabilit dal Toluene si attesta solo
dell'1% rispetto ai fluidi precedentemente menzionati.
Impiegando l'O-xylene anzich il Toluene, si ottiene un ciclo caratte-
rizzato da una minore pressione di evaporazione e condensazione
ma un maggiore costo di investimento, legato all'incremento di costo
del condensatore, e, quindi, un tempo di rientro maggiore.
L'efficienza del recuperatore raggiunge l'80% nel caso di Toluene,
O-xylene e M-xylene mentre risulta del 6.3% inferiore con il Ben-
zene. L'espansore, indipendentemente dal fluido adottato, assume
una configurazione assiale con rendimento del 76.4% e 73.4% nel
caso, rispettivamente, di Toluene ed O-xylene.
Nel caso di impianto cogenerativo, la massima potenza elettrica
ed il massimo indice di profittabilit si ottengono impiegando l'O-
xylene mentre il massimo rendimento exergetico si raggiunge con
O-xylene, P-xylene, M-xylene o E-benzene. Si noti per che l'O-
xylene consente di massimizzare la potenza elettrica ma essa solo
leggermente superiore (1 kW) a quella ottenibile con il P-xylene
e l'M-xylene mentre l'incremento di 3 e 4 kW rispetto a quanto
ottenibile, rispettivamente, con E-benzene e Toluene.
Anche in questo caso, a prescindere dal fluido organico, l'espansore
risulta sempre essere una macchina assiale.
L'O-xylene, il P-xylene e l'M-xylene consento di sviluppare unit
ORC operanti con pressioni di evaporazione e condensazione
inferiori rispetto all'E-benzene ed al Toluene mentre, a prescindere
dal fluido, l'efficienza del recuperatore risulta pari all'80%.
I costi di investimento sono praticamente i medesimi nel caso di E-
benzene, O-xylene, P-xylene ed M-xylene mentre risultano dell'1.5%
superiori se il fluido Toluene.
Nella Tabella 3 si riassumono i principali risultati ottenuti mas-
simizzando la potenza elettrica sia nel caso di configurazione
cogenerativa che non.
Dalla comparazione delle due soluzioni invece emerge che il To-
luene garantisce le migliori performance nel caso di soluzione non
cogenerativa mentre l'O-xylene massimizza la produzione elettrica
nel caso di configurazione cogenerativa. Sembra quindi complesso
ottenere una configurazione di impianto ed un unico fluido in grado
di operare sia in sola produzione elettrica che in produzione com-
binata. Per, dall'analisi di Tabella 3, si evince immediatamente
che l'O-xylene permette di realizzare un impianto con una potenza
elettrica inferiore solo dell'1.5% rispetto al Toluene nel caso di sola
produzione elettrica mentre, nel caso di produzione combinata, il
Toluene consente di realizzare un impianto con una potenza elettrica FIGURA 2 - Risultati del processo di ottimizzazione Tecnica 50 LA TERMOTECNICA APRILE 2017 Energia & Impianti inferiore solo dell'1% rispetto all'O-xylene. Ma, l'impiego dell'O-xylene
rispetto al Toluene, riduce sia la pressione di evaporazione che quella di
condensazione. Fattore che, nel caso della pressione di evaporazione,
risulta positivo perch riduce i costi dello scambiatore, ma altamente
negativo nel caso della pressione di condensazione poich, ridurre tale
parametro, incrementa le difficolt tecniche e realizzative ma soprat-
tutto il costo del componente. Fattore che, a sua volta, condiziona sia il
valore attuale netto che il tempo di rientro dell'investimento.
Alla luce delle considerazioni sopraelencate e delle ottimizzazioni
sviluppare, gli autori suggeriscono di adottare come fluido di lavoro il
Toluene ed impiagarlo in una configurazione recuperativa dell'ORC.
Ovviamente, prima di realizzare l'impianto si suggerisce di studiarne
il comportamento ai carichi parziali e durante i transitori con il fine di
identificare la soluzione che operare al meglio in entrambe le modalit
di esercizio. Dopo di che, risulta conveniente testare i componenti re-
alizzati in un impianto di prova per verificarne le effettive prestazioni. CONCLUSIONI
La biomassa ricopre un ruolo di rilievo nel panorama mondiale perch
consente di ridurre i consumi di combustibili fossili soprattutto nel settore
della generazione combinata di elettricit e calore.
Di norma per, questi impianti vengono progettati per operare o in sola
produzione elettrica o in cogenerazione.
Con l'obiettivo invece, di realizzare un gruppo ORC in grado di operare
in entrambe le modalit senza variare n il fluido n la configurazione,
nel presente lavoro si sviluppa una ottimizzazione volta a determinare
lo schema di impianto ed il fluido organico in grado di operare in
entrambe le modalit.
I risultati ottenuti dimostrano che l'impiego di una configurazione
recuperativa che utilizza il Toluene come fluido di lavoro consente di
massimizzare la potenza elettrica e contenere i costi di investimento in
entrambe le modalit operative. BIBLIOGRAFIA
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